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機(jī)器人小車車體主要由車架、車輪、電機(jī)、減速裝置、驅(qū)動(dòng)電源、單片機(jī)控制電路與無線接收模塊構(gòu)成。它可以按主機(jī)發(fā)出的命令調(diào)整左、右輪轉(zhuǎn)速，以保證按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。為適應(yīng)激烈對(duì)抗的比賽環(huán)境，機(jī)器人應(yīng)具有高度的機(jī)動(dòng)性和靈活性。能平穩(wěn)迅速地完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及急停等動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)速度和方向要足夠精確。為實(shí)現(xiàn)上述性能，機(jī)器人對(duì)稱性要好，雙輪由雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，且加；找出幾次都沒變化的開入量比較相鄰兩次開入量：輸出穩(wěn)定的開入量；隊(duì)列指針指向下一個(gè)一38一接上頁）adda，ro；循環(huán)隊(duì)列副本區(qū)賦值；判別啟動(dòng)條件；比較本次與上次開入量狀態(tài)；保存比較結(jié)果；a！=o有變化，進(jìn)行濾波處理；本次沒有變，檢查前幾次；是否變化7i89er：ro3o：；啟動(dòng)條件滿足，進(jìn)行濾波處理：為o的位開入量己穩(wěn)定3：8a；處理濾波結(jié)果4結(jié)束語狀態(tài)計(jì)數(shù)法不受采集次數(shù)的約束，然而與開入量通道數(shù)有關(guān)；而窗口濾波法基本不受開入量通道數(shù)的約束，但與采集次數(shù)有關(guān)。因此在采集次數(shù)較多，通道數(shù)少的應(yīng)用中應(yīng)采用狀態(tài)計(jì)數(shù)法；在采集次數(shù)較少，通道數(shù)多的應(yīng)用中采用窗口濾波法。

工精度高。由于比賽中對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和方向有很高的精度要求，所以需要設(shè)計(jì)好運(yùn)動(dòng)控制模塊。

1模塊設(shè)計(jì)首先討論小車接收命令后的控制過程。無線接收模塊將命令字串行發(fā)送到單片機(jī)。每1幀命令字為3個(gè)字節(jié)。

第1字節(jié)為小車的標(biāo)志位；第2字節(jié)為小車的左輪速度設(shè)定值；第3字節(jié)直接為小車的右輪速度設(shè)定值。接收到命令字后，先將命令字的第1字節(jié)（即小車的標(biāo)志位）同本小車的標(biāo)志位對(duì)比，只有2個(gè)標(biāo)志位完全一樣時(shí)，才接收命令字的后2個(gè)字節(jié)。然后，單片機(jī)接收光電譯碼器的反饋信息，通過運(yùn)動(dòng)控制器pwm模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)左、右輪速度的閉環(huán)控制，使左、右輪速度達(dá)到設(shè)定值（即主機(jī)發(fā)送的命令值），完成各種基本運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如所示。

1.1cpu的選擇cpu的選擇很關(guān)鍵，要從效率、功能、經(jīng)濟(jì)等多方面考慮。美國微芯公司（microchip）推出的cmos8位pic系列單片機(jī)，具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。pic16687x是微芯公司的中檔產(chǎn)品，采用14位的類risc指令系統(tǒng)，在保持低價(jià)格的前提下，增加了a/ =轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸入、pwm輸出、i2c總線和spi總線接口電路、異步串行通信（usart）接口電路、模擬電壓比較器、lc=驅(qū)動(dòng)、flash程序存儲(chǔ)器等許多功能。

這種單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：簡單性：采用類risc指令集，指令數(shù)目少，開發(fā)容易，周期短。

高速：pic采用哈佛總線和類精簡指令集，指令的執(zhí)行速度比一般的單片機(jī)要快45倍。

低功耗：pic采用cmos電路設(shè)計(jì)，結(jié)合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗很低。

配備有otp（onetimeprogrammable）型、eprom型及flash型等多種形式的芯片，使產(chǎn)品開發(fā)更容易、快捷。

最重要的一點(diǎn)是采用pic可以省略運(yùn)動(dòng)控制器，pic166876單片機(jī)內(nèi)部集成有2個(gè)ccp（捕捉、比較、脈寬調(diào)制pwm）模塊。當(dāng)它工作在pwm方式下時(shí)，具有2個(gè)脈沖寬度調(diào)制輸出通道，它們可以產(chǎn)生寬度和周期均由編程決定的pwm波形。通過pwm來調(diào)整電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于cpu自帶了pwm來控制電機(jī)，所以完全可以省去運(yùn)動(dòng)控制器。

綜上所述并基于性價(jià)比等綜合考慮，采用pic166876最為理想，它有28引腳，開發(fā)效率高、體積小、價(jià)格低，能很好地滿足需要。

1.2電機(jī)與減速器的設(shè)計(jì)小電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)二種。步進(jìn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制簡便，但受尺寸限制，不好實(shí)施。超小型的直流電機(jī)生產(chǎn)廠家則較多，規(guī)格也較齊全，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。一般情況下，工作電壓應(yīng)在312v，空載轉(zhuǎn)速8000-pm左右。電機(jī)一旦選定，額定轉(zhuǎn)速就確定了。機(jī)器人的線速度最小應(yīng)大于50cm/s.基于這2個(gè)約束條件可以進(jìn)行減速器的設(shè)計(jì)。減速器就是齒輪盒，即通過2半徑不同、互相嚙合的齒輪構(gòu)成，工作原理很簡單。使用減速器的目的是降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)際不需要小車達(dá)到如此高的速度。每輛小車需配2個(gè)齒輪盒，分別同電機(jī)和小車車輪相連。

根據(jù)機(jī)器人平均線速度的要求（按100cm/s計(jì)算），小車輪半徑！一般為23cm.設(shè)"（cm/s）為小車的線速度，（cm）為小車的輪半徑，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n為齒輪的減速比，pi=3.1415926.由公式"=（2xpix！xn）/（60xn），按平均線速度要求，可計(jì)算出減速比約為1：6左右。還可稍降一點(diǎn)，將小車的車輪半徑！=2cm，取齒輪的減速比n=14，=8000帶入上，得到fmax=120cm/s，這一速度值可滿足小車的要求。

1.3測速裝置的設(shè)計(jì)小車實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，由于慣性及機(jī)械上的原因以及快速制動(dòng)的需要，車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速不可能完全等于計(jì)算值，這就需要有測速裝置來構(gòu)成小車速度的閉環(huán)反饋，使其速度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值。一般有二種方案：采用霍爾傳感器。在車輪上安裝磁性物質(zhì)，然后通過霍爾元件去感應(yīng)。小車車輪每旋轉(zhuǎn)1周，霍爾元件感應(yīng)到磁性物質(zhì)便會(huì)觸發(fā)1個(gè)脈沖，cpu對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再記錄所用時(shí)間，經(jīng)簡單計(jì)算便可得到轉(zhuǎn)速。例如在分鐘內(nèi)統(tǒng)計(jì)了x個(gè)脈沖，那么轉(zhuǎn)速=x/%.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)且結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是計(jì)數(shù)不精確，導(dǎo)致控制上的不精確。由于足球機(jī)器人控制要求精度高，故不宜使用此種方法。

光電碼盤又名光電譯碼器，主要是用來測量轉(zhuǎn)速，它構(gòu)成小車速度的閉環(huán)反饋。光電碼盤具有響應(yīng)速度快、可靠性高，測速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。光電碼盤主要由光發(fā)射器照射下，通過光電碼盤的盤縫，不斷輸出光電脈沖信號(hào)。

輪速同光電脈沖的個(gè)數(shù)有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。光電碼盤一39一分別輸出a、b 2個(gè)信號(hào)，a代表車輪正轉(zhuǎn)時(shí)輸出的脈沖，b代表車輪反轉(zhuǎn)時(shí)輸出的脈沖。輸出脈沖如所示。

由可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輪作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，a脈沖超前b脈沖1/4個(gè)周期；當(dāng)車輪作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，a脈沖落后b脈沖1/4個(gè)周期。cpu根據(jù)a、b脈沖的相位關(guān)系判斷車輪的正反轉(zhuǎn)。如cpu讀取光電碼盤的輸出信號(hào)，當(dāng)檢測到狀態(tài)ab由00-01-11-10-00時(shí)，說明車輪在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)檢測到狀態(tài)ab由說明車輪在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

光電碼盤的輸入很簡單，只需+5v電源和2根地線輸入。輸出為2個(gè)脈沖信號(hào)a和b，使用方便。它的一項(xiàng)重要的參數(shù)是脈沖比，即車輪每轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)。脈沖比越高，精度越高，但會(huì)使運(yùn)算量加大，應(yīng)權(quán)衡考慮。本設(shè)計(jì)選擇脈沖比為128的光電碼盤，能滿足系統(tǒng)的精度要求，同時(shí)運(yùn)算量不大。

每輛小車均配備2個(gè)光電碼盤，一般光電碼盤均同直流電機(jī)封裝在一起。

1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇cpu輸出p1m信號(hào)，電壓為脈沖形式。由于輸出的電流很小，不能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直接將cpu的輸出和直流電機(jī)的輸入相連是不能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的目的就是將cpu的輸出電流放大，從而獲得足夠大的力矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)選用的是意法半導(dǎo)體聯(lián)合公司（sgs-thomson<生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l298n.l298n為含有15個(gè)引腳的直插式芯片，其主要性能：（1）體積?。洪Lx寬x高=；（2）操作電壓范圍大：操作電壓fs范圍從4~46v；（3）抗干擾能力強(qiáng)：低于1.5v的電壓均視為低電平，對(duì)噪聲有較強(qiáng)的抑制作用；（4）配備散熱片，減少溫度對(duì)電子元器件的影響；（5）邏輯電平fss為+5v；（6）工作效率高：1塊l298n可以驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)，故每輛小車只需配備1塊l298n；（7）輸出電流大：l298n可以將電流放大l298n共有15根引腳，要同cpu、電源、直流電機(jī)相連。具體連接方式可其技術(shù)資料。

上面已經(jīng)提到pic16f876單片機(jī)內(nèi)部集成有2個(gè)ccp模塊。當(dāng)它工作在p1m方式下時(shí)，相應(yīng)引腳上可以輸出分辨率為8位或10位的p1m波形。此時(shí)必須將trisc寄存器中的第2位清0，以設(shè)置引腳為輸出狀態(tài)。

p1m的輸出有一個(gè)時(shí)基（周期）和一個(gè)保持為高電平的時(shí)間，p1m的頻率就是周期的倒數(shù)。p1m的周期可通過向tmr2的周期寄存器pr2寫入設(shè)定，其計(jì)算公式：p1m改變pr2寄存器的值，就可以控制輸出的p1m波形的頻率。通過寫入ccpr1l寄存器和ccp1con控制器的4~5位，可以得到p1m的高電平時(shí)間設(shè)定值，分辨率可達(dá)10位；由8位的ccpr1l值（作為10位中的高8位）和控制寄存器ccp1con中的第4~5位（作為10位中的低2位）組成。用以下方程可以計(jì)算p1m的高電平時(shí)間：p1m高電平時(shí)間=（ccpr1l：ccp1con（bit5~bit4）x在pr2―定的情況下，通過控制ccpr1l寄存器和ccp1con控制器位第4~5位的值，就可以控制輸出的p1m波形的占空比。將ccp1con寄存器的ccp1m3~ccp1m0位設(shè)置成1100，就可以使ccp1模塊工作于p1m方式。要把ccp模塊設(shè)置為p1m操作時(shí)，需按5步進(jìn)行：1）向pr2寄存器寫入相應(yīng)的值，以設(shè)定p1m周期；（2）向ccpr1l和控制寄存器ccp1con中的第5位、第4位寫入相應(yīng)的值，以設(shè)定p1m高電平時(shí)間；（3）通過對(duì)trisc的第2位清0，以設(shè)定rc2/ccp1引腳為輸出狀態(tài)；（4）設(shè)置tmr2的前分頻值，并通過t2con寫入，以使tmr2使能；（5）設(shè)定ccp1模塊為p1m操作。

2小結(jié)驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制模塊是足球機(jī)器人小車硬件設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了小車子系統(tǒng)該部分的設(shè)計(jì)。其中采用的都是較常用、市面上容易買到的芯片和部件，在滿足控制精確性的基礎(chǔ)上考慮了經(jīng)濟(jì)實(shí)用特性，且結(jié)構(gòu)簡潔。據(jù)此設(shè)計(jì)出的小車子系統(tǒng)在原理上是完全可行的，也是容易實(shí)現(xiàn)的。足球機(jī)器人的研制開發(fā)必將由大學(xué)實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)、面向大眾。基于這種方向，今后的設(shè)計(jì)應(yīng)把側(cè)重點(diǎn)從精確控制轉(zhuǎn)向簡潔和經(jīng)濟(jì)，使這項(xiàng)高科技運(yùn)動(dòng)適應(yīng)大眾化的需求。